引言
生物質能源是人類最早的能源之一，尤其是在農村地區通常是非常容易獲得的能源。生物質在全球能源資源中排名第 4，為人類需要提供了約 9% ～14% 的能源; 尤其在發展中國家，生物質能源尤為重要，提供了近 35% ～ 40% 的能源。生物質在生長過程中吸收 CO2，燃燒過程中釋放 CO2，可達到氣體排放的平衡。生物質燃料的燃燒速度大大高于煤，且生物質有可再生、環境友好等優點。利用生物能源可以擴展來滿足日益增長的能源需求，減少二氧化碳的排放和全球變暖，對于城市和農村廢棄物的處理非常有益處。
我國生物質原料主要來自農林產業，分布廣泛，有草、灌、喬，糖及淀粉等。木質纖維素生物質主要是一些農作物秸稈，如水稻秸稈、玉米秸稈、麥稈、油菜秸稈和棉花秸稈等。系統識別和量化生物質化學成分組成，是生物質原料應用最重要的步驟。關于秸稈原料熱解或發酵的研究較多。農作物秸稈作為生物質能的原料，可以用來制備生物炭和生物油。
近年來，對于洗滌纖維和粗蛋白的研究，主要是針對其被微生物發酵后可以更好地被用作飼料等，而對于不同地區或不同種類秸稈的化學特性的比較的研究較少。為此，針對華東地區 3 個省市 4 種常見的生物質\\( 水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈\\)的化學特性進行比較和分析，以期為生物質合適的能源化利用方式提供參考。
1 材料與方法
1． 1 試驗材料采集
選取來自安徽省、江西省和上海市的水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈共計 127 個樣品，不同地塊或不同品種的樣品記作不同的樣品。根據當地種植區域分布及樣品種類選擇采樣點，保證采樣科學、具有代表性，采集不同品種的樣品以保證實驗數據適用于本樣品的全部品種。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈采集分布如表 1 所示。樣品采集時間選擇在該作物的收獲期，在每個地塊根據地形科學布點，每個樣品采集 3 ～ 5kg，使用已做好標記的繩子將樣品捆扎結實; 同時，完成現場記錄表的填寫，將樣品的采集時間、地點、樣品品種、種植方式、收獲季節等信息記錄完整?！颈?略】
1． 2 試驗材料制備
將采集好的秸稈按種類分類標記，風干后使用枝椏粉粹機\\( 福輪力特 112M－4\\) 進行粗粉，得到粗粉樣品放入 45℃烘箱中烘干; 然后用中藥粉碎機\\( 大德藥機 DFY－500\\) 中進行細粉，細粉樣品再經 40 目篩分\\( 粒徑＜ 0． 63 mm\\) ; 樣品制備完成后裝于自封袋中，做好標簽，放在干燥器中保存，用于試驗測試。
1． 3 試驗方法
以制備好的秸稈粉末樣品為原料，采用四分法選取 50g 樣品進行纖維素\\( cellulose\\) 、半纖維素\\( hemi-cellulose\\) 、木質素 \\( lignin\\) 、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維及粗蛋白等化學性質的測定。各指標的測定多采用國家標準、美國材料與試驗協會 ATSM 標準和AOAC 國際標準。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進行化學特性測定，各指標測定標準如表 2所示?！颈?】
1\\) 纖維素、半纖維素: 纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，半纖維素是由幾種不同類型的單糖構成的異質多聚體。這些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖等。本測試采用高效液相色譜\\( Waters 1515－2414\\) 法通過測量糖的含量來測定纖維素和半纖維素的含量。
2\\) 木質素: 采用紫外分光光度法測得酸性可溶性木質素，用灼燒法\\( 575 ℃\\) 測差重得到不可溶性木質素、木質素的總含量及兩部分的總和。
3\\) 中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維: 用纖維測定儀測定。
4\\) 粗蛋白: 用凱氏定氮儀測定。
1． 4 試驗儀器
枝椏粉碎機、中藥粉碎機、天平、VELP 纖維測定儀 FIWE 6、烘箱、馬弗爐、Waters 1515－2414 高效液相色譜儀、UV－1800 型紫外分光光度計、凱氏定氮儀等。
1． 5 數據分析方法
采用 Microsoft Excel 2010、IBM SPSS Statistics 20單因素方差分析等方法。
2 結果與分析
2． 1 纖維素、半纖維素和木質素含量變化
纖維類物質包括纖維素、半纖維素和木質素。纖維類物質含量的高低可以作為生物質能原料選擇的重要依據。圖 1 為水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維類物質含量?！緢D1】
由圖 1 可知，4 種秸稈之間纖維素、半纖維素和木質素的含量差異顯著。根據試驗，可以得出水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的纖維類物質的含量范圍如下: 纖維素 23% ～53% 、24% ～41% 、21%～ 34% 、23% ～ 44% ，半纖維素 10% ～ 26% 、18% ～26% 、9． 7% ～ 38 % 、11% ～ 20% ，木質素 14% ～33% 、22% ～ 32% 、17% ～ 19% 、41% ～ 46% 。其中，纖維素和半纖維素含量與文獻報道中的范圍一致。
由于秸稈中的木質纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解，相對于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈制取沼氣技術要困難得多，尤其是對于木質素含量最高的棉花秸稈。但我國秸稈資源量巨大，農村沼氣池的推廣工作開展順利。為解決秸稈難以降解制取沼氣的問題，需要解決一些關鍵性的技術問題。首先，需要研究各種預處理方法，通過預處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產氣率; 其次，根據秸稈體積大、密度小、不具有流動性等特點，可研究適合其物料特性的專用高效厭氧消化反應器，并研究出較優的反應器運行參數。
相比沼氣，秸稈在生物質熱解或炭化時，纖維素和半纖維素主要產生揮發性物質，而木質素主要分解為焦炭。由圖 1 可知，棉花秸稈的木質素含量最高，不適合熱裂解液化產生生物油，其次為玉米秸稈。
有研究表明，纖維素和半纖維素發生熱化學氣化反應時碳的轉化率高，可轉化為 CO、CO2，且提高溫度，有利于提高 CO 含量和降低 CO2含量; 而木質素中碳的轉化率低，多轉化為 CH4，此過程主要發生在 800 ℃，且 CH4的生成量受溫度影響大。
木質纖維素原料生產乙醇的過程主要分為兩步:纖維素和半纖維素水解為可發酵性糖，糖發酵成醇。水解過程通常用酸或酶作為催化劑; 而木質素本身結構很穩定，很難被一般的溶劑溶解，因此木質纖維素生物質制取乙醇的過程中，木質素一般需要去除。纖維素/半纖維素的比值大更適合生產乙醇，因此水稻秸稈更適合生產乙醇。
2． 2 化學分析
秸稈作為飼料時，其營養品質主要取決于秸稈中粗蛋白、中性洗滌纖維\\( NDF\\) 和酸性洗滌洗維\\( ADF\\)的含量。對水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈進行了中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和粗蛋白的測定，結果如表 3 所示。水稻秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和棉花秸稈的中性洗滌纖維的含量范圍分別是42．6% ～77． 7% 、56． 7% ～ 82． 9% 、65． 4% ～ 75． 9% 和 54． 7%～ 84． 2% ; 酸性洗滌纖維的含量范圍分別是 31． 9% ～58． 8% 、31． 4% ～ 55． 8% 、54． 9% ～ 65． 3% 和 40． 8%～ 69． 7% ; 粗蛋白含量范圍分別是 3． 2% ～ 11． 5% 、3． 9% ～ 11． 4% 、2． 2% ～ 9． 4% 和 3． 2% ～ 11． 3% ?！颈?】
玉米中洗滌纖維和粗蛋白含量與文獻中范圍一致。其中，品種不同，含量有所差異。油菜秸稈中粗蛋白含量文獻值稍高，可能是由于不同地區粗蛋白含量有所差異。水稻秸稈和棉花秸稈中粗蛋白的含量與文獻含量范圍一致。秸稈經過酵母菌或其他微生物發酵，粗蛋白含量大大提高，同時提高粗纖維的降解率，從而更加適于作畜禽飼料。
3 結論
1\\) 纖維素 / 半纖維素的比值大更適合生產乙醇，因此水稻秸稈更適合生產乙醇。
2\\) 纖維素和半纖維素發生熱化學氣化反應時碳的轉化率高，可轉化為 CO、CO2; 木質素中碳的轉化率低，多轉化為 CH4。因此，玉米秸稈熱化學轉換時更易轉化為 CO、CO2; 棉花秸稈熱化學轉換時更易轉化為 CH4。
3\\) 棉花秸稈中木質素含量最高，不適合熱裂解液化產生生物油; 其次為玉米秸稈。
4\\) 4 種秸稈的平均熱值排序為: 棉花秸稈 ＞ 玉米秸稈＞ 水稻秸稈＞ 油菜秸稈。油菜秸稈中 K、Na、Ca含量偏高，如果用于直燃發電時，既不能產生較多熱量，又容易使鍋爐結渣，因此不適于直燃發電。
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